Питер Уорд - Новая история происхождения жизни на Земле

• Название: Новая история происхождения жизни на Земле
• Автор: Питер Уорд
• Издательство: Питер
• Жанр: Биология
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-496-02014-5

Общепринятая история происхождения жизни на Земле устарела. Двое ученых, Питер Уорд и Джозеф Киршвинк, предлагают книгу, в которой собраны все выводы последних исследований. Авторы показывают, что многие наши прежние представления об истории происхождения жизни неверны. Во-первых, развитие жизни не было неторопливым, постепенным процессом: катаклизмы способствовали формированию жизни больше, чем все остальные силы вместе взятые. Во-вторых, основа жизни — углерод, но какие еще элементы определили ее эволюцию? В-третьих, со времен Дарвина мы мыслили в категориях эволюции видов. На самом деле имела место эволюция экосистем — от подводных вулканов до тропических лесов, — которые сформировали мир, каким мы его знаем. Опираясь на свой многолетний опыт в палеонтологии, биологии, химии, астробиологии, Уорд и Киршвинк рассказывают историю жизни на Земле, такую фантастическую, что ее трудно представить, и в то же время такую знакомую, что нельзя пройти мимо.

---

Мысль Рота проста: существует некое состояние между жизнью и смертью, оно не исследовано и имеет несомненный медицинский потенциал, но, кроме того, позволяет понять, как некоторые организмы смогли избежать массового вымирания. Возможно, смерть не является таким уж «непоправимым» событием, как полагают[38]. Рот надеется, что ему удастся научиться погружать организмы в это пограничное состояние, а затем возвращать обратно. Впрочем, пока у этого явления будет прозвище «приостановленная подвижность», многих это будет вводить в заблуждение. На самом деле, в английском языке[39] нет слова, которое бы точно описывало суть этого состояния между жизнью и смертью. Киношники называют это «территория зомби» и все такое в том же духе, и, может быть, неповоротливая научная общественность примет этот термин. Но мы в этом сомневаемся.

В одном из важнейших экспериментов Рота участвовали плоские черви — примитивные организмы, тем не менее живые! Конечно же, в сравнении с любым микроорганизмом никакой другой не может быть назван примитивным. Ученый снизил уровень кислорода, необходимый для дыхания этих червей. Как и всем живым существам, плоским червям необходим кислород — и много. Итак, в закрытом резервуаре, где содержались черви, снизилось содержание кислорода, и постепенно их движения замедлились, а затем они вовсе перестали двигаться. Никакие тычки и толчки не вызывали ответной двигательной реакции. Но на этом Рот свой эксперимент не закончил. Он продолжил уменьшать количество кислорода в воде, где находились черви. Плоские черви пришли в состояние «спячки» — не жизни и не смерти[40]. Жизнь и смерть, как кажется, — состояния куда более сложные, чем многие из нас думают.

Жизнь и смерть простейших организмов

Млекопитающие — одни из самых сложноорганизованных организмов, но подобные эксперименты, проведенные над ними, также показывают, что жизнь в них, очевидно, сохраняется: сердце по-прежнему бьется, кровь продолжает циркулировать по венам, нервы реагируют на раздражители, и происходит транспортировка необходимых для жизни веществ, хотя все это — в очень медленном темпе. Но что и правда интересно и важно, так это то, как сохраняется жизнедеятельность в намного менее сложных организмах, например, в бактериях и вирусах, особенно если они попадают в среду, лишенную всяких газов, или в очень холодную среду. И это не теоретические вопросы, поскольку постоянно вместе с сильными ветрами микроорганизмы улетают далеко вверх, в верхние слои атмосферы, за пределы озонового слоя — нашего основного щита против ультрафиолета из космоса. Это второй рубеж в изучении жизни и смерти: исследования верхних областей атмосферы Земли.

Через несколько дней или недель, проведенных в верхних слоях земной атмосферы, эти представители недавно открытой экосистемы (которую ученые не очень изящно назвали «верхняя жизнь») — тропосферной флоры и фауны — возвращаются обратно на поверхность планеты[41]. Но живы ли они, пока находятся в космосе?

С самого начала космической эры всем известно, что бактерии и споры грибов обнаруживаются на самых верхних уровнях земной поверхности, которые только могут быть доступны для воздушных судов. Однако никто не считал, сколько различных видов можно встретить в этой крупнейшей из всех сред обитания на планете, а ведь это пространство, по сравнению с которым другое крупнейшее обиталище живых существ — дно океана — кажется просто мелкой лужей. Однако в 2010 году началась работа, которая показала, что в любой промежуток времени в верхних уровнях могут обитать тысячи видов бактерий, грибов и безымянных родов вирусов. Кроме того, ученые Вашингтонского университета, порыскав на вершинах Каскадных гор в Орегоне, обнаружили, что пыльные ветры из Китая постоянно выносят на западное побережье Северной Америки грибы, бактерии и вирусы[42].

Факт, что микроорганизмы можно найти так высоко в атмосфере (или что атмосфера может служить транспортным каналом для межконтинентального перемещения опасных вирусов), помимо чисто биологических выводов, представляет еще и непосредственный интерес в контексте темы данной книги, пожалуй, фундаментальный для понимания части нашей истории: перемещение в атмосфере может объяснить, как первичная жизнь распространилась из источника своего зарождения на Земле. Зачем медленно дрейфовать в океане, двигаясь по воле капризных волн и течений, если по ветру можно перепрыгнуть с континента на континент меньше чем за один день. Позже мы еще вернемся к вопросу о значении обитателей верхних уровней в истории жизни на Земле, здесь же обсуждается то, живы эти организмы на протяжении всего своего воздушного путешествия или они находятся в спячке. Вот тут, рассматривая самые базовые формы жизни, мы приходим к выводу, что категории жизни и смерти несколько неполны, а то и некорректны.

Образцы «верхней жизни» собирают тремя способами: с поверхностей списанных военных самолетов, которые летают в верхних слоях атмосферы; с воздушных шаров, которые запускают в верхние слои; а также, когда сильные бури прилетают из Азии через Тихий океан, можно прямо из воздуха взять «понюшку» образца тропосферы высоко в горах. Такой воздух — настоящий «зоопарк» микрожизни. Собранные в горах высоко над уровнем моря микроорганизмы оказываются мертвыми, но перенесенные в более низкие места, на которых они предположительно находились до своего воздушного путешествия, через некоторое время, необходимое для акклиматизации, вновь оживают.

Многие из нас согласятся, что в отношении млекопитающих, да вообще всех многоклеточных, верно: что умерло, то умерло. Но для простейших это не так. Оказывается, между нашими привычными представлениями о жизни и смерти есть целое поле для исследовательской деятельности. И это новое пространство имеет огромный потенциал для понимания первого этапа истории развития жизни на Земле, объясняя, могут ли «мертвые» химические соединения при соответствующих комбинациях и заряде энергии стать живыми. Жизнь, по крайней мере простейшая жизнь, не всегда жива.

И вот наука ищет это место между жизнью и смертью. Возможно, окажется, что первая жизнь на Земле возникла из состояния, которое мы называем смертью, а возможно, из какого-то пограничного состояния, очень близкого к жизни.

Жизнь: определения понятия

Вопрос «Что такое жизнь?» является названием для нескольких книг, а самая знаменитая из них, работа начала XX века, принадлежит перу Эрвина Шрёдингера[43]. Эта небольшая книжка стала заметной вехой благодаря не только теме повествования, но и профессии автора: Шрёдингер был физиком. До него и в его времена физики насмехались над биологией и считали ниже своего достоинства тратить на нее время. Шрёдингер же начал осмыслять организмы с точки зрения физической науки и в ее терминах: «Порядок атомов в наиболее значимых частях организма и взаимодействие этих упорядоченных комплексов коренным образом отличаются от тех, что физики и химики принимают за объект своей теоретической и эмпирической работы».

В основном книга посвящена природе наследственности и мутаций (она была написана за 20 лет до открытия ДНК, когда природа наследственности все еще была великой тайной), но в финале ее Шрёдингер рассматривал физику «жития», и, в частности, писал: «Живая материя балансирует между разложением и равновесием» и «живет за счет отрицательной энтропии».

Иными словами, жизнь живет за счет метаболизма, то есть, грубо говоря, за счет еды, воды, дыхания, обмена веществ — этот последний и обозначается греческим словом «метаболизм». Это и есть ключ к пониманию природы жизни? Возможно, по крайней мере, для биолога. Но физик Шрёдингер заметил кое-что куда более глубокое: «Считать, что обмен веществ должен быть ключевым фактором — абсурд. Любой атом азота, кислорода, серы и так далее так же хорош, как и другие. В чем выгода такого обмена?» Что такого ценного, что мы называем «жизнь», содержится в нашей пище и не дает нам умереть? Для Шрёдингера ответ был очевиден: «Любой процесс, событие в природе означают усиление энтропии в том месте, где они происходят». Вот в этом и есть секрет жизни: жизнь есть материя, которая усиливает энтропию, и в этом — новая возможность отличить живое от неживого.

Шрёдингер считал, что жизнь поддерживается, извлекая «порядок» из окружающей среды, это что-то, что мы называем неуклюжим словосочетанием «отрицательная энтропия». Жизнь, таким образом, — «приспособление», с помощью которого большое количество молекул поддерживают сами себя на весьма высоком уровне упорядоченности, постоянно «высасывая» эту упорядоченность из своего окружения. Шрёдингер предположил, что организмы не только создают порядок из беспорядка, но также — порядок из другого порядка.